ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений агрегатов ЖРД в условиях воздействия резкого изменения широкого диапазона температур.

Известны тонкопленочные датчики давления, содержащие корпус, металлический упругий элемент, на котором сформирована тензочувствительная схема, причем поверхность упругого элемента перед нанесением диэлектрика отполирована до малых величин шероховатости [1].

Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования для измерения давления в агрегатах ЖРД из-за сравнительно неширокого температурного диапазона.

Наиболее близким по технической сути к изобретению является тонкопленочный датчик давления, предназначенный для измерения давлений в агрегатах ЖРД в условиях резкого изменения широкого диапазона температур, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент, покрытый диэлектриком, на котором сформированы тензорезисторы, а на приемной поверхности упругого элемента расположено теплоизолирующее покрытие определенной толщины, причем поверхность упругого элемента перед нанесением диэлектрика отполирована для уменьшения шероховатости. Обычно поверхность упругого элемента полируют до такой степени, чтобы высота микронеровностей не превышала R_z = 0,05-0,1 мкм [2].

Однако указанная конструкция имеет недостаточный температурный диапазон работы, обусловленный тем, что при полировании упругого элемента на его поверхности распределяются произвольным образом микронеровности произвольной формы и размеров. Вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения металлического упругого элемента и диэлектрика при воздействии широкого диапазона температур в местах наибольшей шероховатости, т.е. местах наибольшей высоты микронеровностей, возникают локальные термомеханические напряжения, которые при одновременном воздействии напряжений от воздействия давлений могут привести к появлению микротрещин в диэлектрике вследствие худших механических характеристик по сравнению с металлом упругого элемента. Кроме того, вследствие неравномерности и случайности распределения формы и размеров микронеровностей по площади упругого элемента при подаче напряжения питания на тензорезисторы относительно упругого элемента напряженность электрического поля также распределяется неравномерно по поверхности упругого элемента. В местах, где высота микронеровностей выше, а форма более неравномерная (или остроконечная), напряженность электрического поля существенно больше по сравнению с областями, в которых высота микронеровностей меньше, а их форма более плоская. Неравномерность электрического поля приводит к пробою сравнительно тонкого диэлектрического слоя (как правило, толщина диэлектрического слоя равна 1 мкм). Поэтому напряжения питания известных тонкопленочных датчиков, как правило, не превышает 9 В, а напряжение пробоя не превышает 30 В. Вследствие этого известные тонкопленочные датчики имеют сравнительно небольшой выходной сигнал. Другим их недостатком является сравнительно большая трудоемкость изготовления упругих элементов, связанная со значительной трудоемкостью процесса полирования.

Целью изобретения является расширение температурного диапазона и увеличение выходного сигнала.

Для этого усовершенствуется известный тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент, покрытый диэлектриком, на котором сформированы тензорезисторы.

Отличием предлагаемого датчика является то, что поверхность упругого элемента, соприкасающаяся с диэлектриком, выполнена в виде постоянного микрорельефа с выпуклыми элементами. Кроме того, элементы поверхности выполнены в виде идентичных шестиугольников, а их параметры определены по соотношению
R = (0,05-0,2) ˙ Hg
при β= 0;
γ= 60^о, где Hg - толщина диэлектрика;
R - высота элемента;
β, γ - углы, отсчитываемые от линий, проходящих через середины противоположных сторон элементов до линии абсцисс, проведенной параллельно продольной оси тензорезисторов, причем продольные оси тензорезисторов расположены перпендикулярно двум противолежащим сторонам элемента поверхности.

На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления; на фиг. 2 - конструкция датчика со снятым корпусом; на фиг.3 и 4 показаны узлы I и II на фиг.2; на фиг.5 - микрорельеф поверхности.

Датчик содержит вакуумированный корпус 1, металлический упругий элемент 2, покрытый диэлектриком 3, на котором сформированы тензорезисторы 4, соединенные в мостовую схему. Контактные площадки тензорезисторов 4 при помощи гибких выводов соединены с контактами 6 гермоввода. Тензорезисторы R₁ - R₄ соединены при помощи контактных площадок 7. Продольные оси тензорезисторов расположены примерно параллельно радиусу мембраны упругого элемента, т.е. они воспринимают преимущественно радиальные деформации. Для наглядности на фиг.4 не показаны резистивные и диэлектрические слои. Параметры поверхности в предлагаемой конструкции выбраны в соответствии с предлагаемым решением. Формирование полностью регулярного микрорельефа в изобретении проводится одним из известных методов, например вибронакатыванием.

Датчик работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану со стороны, противоположной расположению тензосхемы. В мембране возникают напряжения и деформации. Тензоорезисторы воспринимают деформации и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемому давлению. Так как сопротивления тензорезисторов R₂ и R₄ увеличиваются, а тензорезисторов R₁ и R₃ уменьшаются с увеличеным давл, а тензорезисторы соединены в мостовую схему, то на выходе схемы формируется выходной сигнал, пропорциональный сумме изменений сопротивлений отдельных тензорезисторов. Так как поверхность упругого элемента выполнена в виде поверхности с полностью регулярным микрорельефом, то при изменении температуры измеряемой среды в широком диапазоне термомеханические нарпряжения, возникающие в диэлектрике вследствие различных коэффициентов термического линейного расширения материалов упругого элемента и диэлектрического слоя, будут распределены более равномерно, по периодическому закону, совпадающему с регулярным распределением микрорельефа поверхности упругого элемента, т.е. при изменении температуры измеряемой среды в предлагаемой конструкции отсутствуют зоны, где термомеханические напряжения в диэлектрике существенно превышают термомеханические напряжения в соседних зонах, характерные для известных конструкций и обусловленные произвольным и случайным расположением микронеровностей по поверхности упругого элемента. Таким образом, предлагаемый датчик может работать в значительно более широком температурном диапазоне измеряемой среды по сравнению с известными. Форма элементов поверхности микрорельефа выбирают выпуклой из следующих соображений. При таком выборе на ней отсутствуют остроконечные выступы, на которых накапливались бы заряды, при подаче напряжения питания тензорезистивной схемы. Плоские выступы, образующиеся на поверхности упругого элемента по периодическому закону, приводят к образованию равномерного распределения электрического поля между упругим элементом и тензорезисторами. Так как выступы микрорельефа выпуклы, величина напряженности поля существенно меньше, чем в случае, если используют вогнутый микрорельеф. На фиг.5 изображен микрорельеф с вогнутыми элементами. Элементы поверхности (фиг.5) выполнены в виде шестиугольника для уменьшения влияния поперечной чувствительности на изменения сопротивления тензорезисторов от изменения давления. При воздействии измеряемого давления на поверхности упругого элемента возникают радиальные sigma<N>_r и тангенциальные sigma<N> напряжения. Так как резисторы расположены примерно параллельно радиусу мембраны, то тензорезисторы воспринимают в основном радиальные напряжения, причем так как продольные оси тензорезисторов расположены перпендикулярно двум противолежащим сторонам элемента, то условия восприятия напряжений тензорезисторов в предлагаемой конструкции лучше, чем у известной за счет образования дополнительной силы сцепления F_с. При воздействии механических напряжений от измеряемого давления, воздействующих перпендикулярно одной из граней элемента поверхности (sigma<N>_n), это напряжение раскладывается на тангенциальную sigma<N> и радиальную sigma<N>_r1 составляющие. Тангенциальная составляющая направлена перпендикулярно продольной оси тензорезистора и улучшает его чувствительность. А радиальная составляющая направлена вдоль продольной оси тензорезисторов и повышает чувствительность тензорезистора. Углы направления расположения элемента представляют собой углы, отсчитываемые от линий, проходящих через середины противоположных сторон элементов до линии абсцисс, проведенной параллельно продольной оси тензорезисторов. В случае, если угол β не равен нулю, то появляется неравенство противоположных ребер элемента поверхности, которое приводит к появлению дополнительной неравномерности поверхности. Угол β выбран 60^о, так как только в этом случае шестиугольник может быть правильным шестиугольником. Распределение микронеровностей по поверхности упругого элемента при выполнении элемента поверхности в виде правильного шестиугольника более равномерно по сравнению с выполнением элемента поверхности в виде неправильного шестиугольника. Кроме того, угол β выбран 60^о для уменьшения влияния тангенциальной составляющей на чувствительность датчика, так как с одной стороны в случае его увеличения уменьшается относительная длина ребер, расположенных перпендикулярно продольной оси тензорезисторов, за счет увеличения относительной длины ребер элемента поверхности, расположенных под углом относительно продольной оси тензорезисторов, а с другой стороны в случае его уменьшения уменьшается радиальная составляющая σ_r1. Соотношение между высотой элемента и толщиной диэлектрика определено экспериментально. При толщине диэлектрика 1 мкм и высоте элемента, равной 0,05-0,2 мкм, технические характеристики датчиков соответствуют требованиям ТЗ. Они работоспособны в температурном диапазоне (-253) - (+300)^оС. При увеличении высоты элемента более 0,2 мкм конструкции датчика работоспособны только в температурном диапазоне (-196) - (+200)^оС. Уменьшение высоты элемента менее 0,05 мкм усложняет технологический процесс изготовления упругого элемента.

При автономных испытаниях предлагаемой конструкции подтверждена ее работоспособность в условиях резкого изменения температуры измеряемой среды от (-253) до (+300)^оС. Известные тонкопленочные датчики давления работоспособны при резком изменении температуры измеряемой среды от (-196) до (+100)^оС. Напряжение пробоя не менее 50 В. Напряжение пробоя в известных конструкциях тонкопленочных датчиков не превышает 30 В. Поэтому предлагаемый датчик можно питать более высоким напряжением питания 12В по сравнению 9 В питания у известных датчиков, т.е. выходной сигнал предлагаемых датчиков давления в 1,5 раза больше, чем у известных. При изготовлении тонкопленочных датчиков по известному решению трудоемкость изготовления упругого элемента 5,2 нормочаса, а по предлагаемому 3,4 нормочаса.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом изобретения является расширение температурного диапазона примерно в 2 раза, увеличение более чем в 1,6 раза пробивного напряжения, увеличение в 1,5 раза входного сигнала и уменьшение более чем в 1,5 трудоемкости изготовления упругих элементов. Другим преимуществом предлагаемого датчика является то, что необходимое качество конструкции можно получить при большей величине высоты элементов по сравнению с высотой микронеровностей известного датчика.

Использование: для измерения давлений в условиях воздействия на датчик нестационарных температур в широком диапазоне. Сущность изобретения: для расширения температурного диапазона измеряемых давлений и увеличения выходного сигнала в тензорезистивном датчике давления, содержащем упругий элемент 2, металлическую мембрану, покрытую слоем диэлектрика 3, и расположенные на нем тензорезисторы 4, поверхность мембраны со стороны диэлектрика 3 выполнена в виде постоянного микрорельефа с выпуклыми элементами. Элементы могут быть выполнены в виде идентичных шестиугольников, параметры которых определяются из определенного соотношения, учитывающего определенное расположение тензорезисторов 4. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий вакуумированный корпус, в котором установлена металлическая упругая мембрана, покрытая слоем диэлектрика, и тензорезисторы, расположенные на диэлектрике, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного диапазона измеряемых давлений и увеличения выходного сигнала, поверхнсть металлической мембраны со стороны диэлектрика выполнена в виде постоянного микрорельефа с выпуклыми элементами. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что все элемента поверхности выполнены в виде идентичных шестиугольников, а их параметры определены по соотношению
R=(0,05-0,2)H_д при β=0^°, γ=60^°,
где R - высота элемента;
H_д - толщина диэлектрика;
β,γ - углы, отсчитываемые от линий, проходящих через середины противоположных сторон элементов до линии абсцисс,
проведенной параллельно продольной оси тензорезисторов, при этом продольные оси тензорезисторов расположены перпендикулярно двум противолежащим сторонам элемента поверхности мембраны.